일반기술

마그네트론 스퍼터링법을 이용한 금속이 도핑된 ZnO박막의 제조방법

본 발명은 마그네트론 스퍼터링법을 이용한 산소/아르곤 유량비 조절을 통한 금속이 도핑된 ZnO 박막의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 금속을 도핑시켜 ZnO 박막을 제조하는 공정에 있어서, 혼합기체로 흘려주는 산소/아르곤의 유량비를 조절함으로써 ZnO:Al 박막의 결정성, 광학적 특성, 전기적 특성, 투과도 등이 향상된 ZnO 박막의 제조방법에 관한 것이다.본 발명에 의하면 결정성 및 표면 형상이 우수하고, 전기 전도성과 같은 전기적 특성이 향상된 ZnO 박막을 제조할 수 있다. 그 결과, 다양한 응용성으로 주목받고 있는 ZnO 박막의 응용 분야에서 그 적용 가능성을 높일 것으로 기대된다. 특히, 디스플레이 장치 분야에서 투명전극으로 사용되고 있는 종래의 ITO를 대체함으로써, 고가의 디스플레이 장치 등의 가격을 하락시킬 수 있을 것으로 기대된다.최근, Ⅲ 내지 Ⅴ족 또는 Ⅱ 내지 Ⅳ족의 화합물 반도체에 대하여 광소재로 활용하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. Ⅲ 내지 Ⅴ족 화합물 반도체 가운데 특히 질화갈륨 계열의 연구가 많이 이루어져 있고, Ⅱ 내지 Ⅳ족 화합물 반도체에서는 GaN과 유사한 특성을 갖는 산화아연에 관한 연구가 많이 이루어져 왔다. 즉, ZnO는 GaN과 동일한 우르짜이트 결정 구조를 가질 뿐만 아니라, 격자 부정합도가 2.2% 정도에 불과하다는 특성을 이용하여 GaN 박막 성장과정에서 사파이어 기판과의 큰 격자 부정합도(16.7%)로 인한 계면에서의 결함 밀도를 줄이려는 목적으로 ZnO를 버퍼층으로 사용하는 연구가 주로 진행되어 왔다. 그러나, ZnO는 상온에서 3.3 eV의 넓은 밴드 갭의 직접 천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있어 기존의 자외선/청색 발광 다이오드(LDE) 및 레이저 다이오드(LD) 소자의 재료인 GaN과 유사한 광학적 특성을 가지고 있다. 특히, 상온에서 GaN의 3배나 되는 여기 구속 에너지를 갖는 바, 고효율의 발광이 가능하고, 레이저 펌핑에 의한 자발적 발광시 문턱에너지가 매우 낮다는 좋은 특성을 가지고 있는 것으로 보고되어 있다. 이외에도 ZnO는 음향 광학 소자, 강유전체 메모리, 태양전지, 평면 패널 표시창의 투명 전극, 광(廣)밴드갭 고출력 소자, 가스 센서 등 다양한 응용 분야에 적용될 수 있어 큰 주목을 받고 있다.디스플레이 장치의 발전으로 인해 ZnO 박막의 다양한 응용분야 가운데 최근 주목을 받고 있는 분야는 종래의 인듐-주석 산화물로 이루어진 투명전극을 대체하기 위한 투명 전도성 박막으로서의 응용 분야이다. 투명 전도성 박막은 현재 매우 빠른 속도로 발전하고 있는 디스플레이 장치, 예를 들면, 액정디스플레이, 플라즈마 디스플레이 패널, 유기 ELD 등과 태양전지, 전자파 차폐막 등 그 용도가 매우 다양하다. ZnO계 박막은 적외선 및 가시광선 영역에서의 투과성 및 전기 전도성과 플라즈마에 대한 내구성이 우수하며, 낮은 온도에서 공정이 가능하고 원료 가격이 저렴하여 ITO 투명 전도성 박막을 대체할 수 있는 물질로서 각광을 받아왔다. 이러한 ZnO 박막을 성장시키는 방법들 가운데 스퍼터링법이 쉽게 고품위의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된다. 스퍼터링법은 웨이퍼에 금속 박막과 절연체를 적층하는 방법이다. 스퍼터링의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리적인 공정이다. 마그네트론 스퍼터링은 반도체를 적층하는 방법으로서, 상기 장비는 타겟 후방 또는 측면에 자석을 설치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 전자 및 타겟을 가열하는 전자들을 제거한다. 상기 자석은 배회하는 전자를 포획하여 타겟 근처에 가두어 놓는다. 이때 이온 전류는 보통 다이오드 스퍼터 장치보다 열 배 정도 높기 때문에, 더 낮은 압력에서 더 빠르게 금속 막을 적층할 수 있다. 투명 전도성 박막으로서 ZnO계 박막은 불순물이 첨가되지 않은 ZnO계 박막의 경우 대기 중에 장시간 노출되는 경우 산소의 영향으로 Zn과 O의 정량비가 변함에 따라 전기적 성질의 변화가 발생하고, 고온 분위기에서 안정하지 못한 단점이 있었다. 따라서, 이의 문제점을 보완하기 위해 연구자들은 Al을 도핑함으로써 투명 전도성 박막으로서의 필수 요건인 전기 전도도 및 투과도를 향상시키는 데 성공하였다. 다만, ZnO:Al 박막을 제조함에 있어서, 그 최적의 제조 조건에 대한 체계적인 보고가 없는 실정이다. 이에, 본 발명은 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 금속이 도핑된 ZnO 박막을 제조함에 있어서, 상기 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성이 산소/아르곤의 유량비에 의존하는 것을 발견하여 구조적, 전기적, 광학적 특성이 우수한 ZnO계 투명 전도성 박막의 제조를 위한 최적 조건을 완성하였다.